Лазеры на нейтральных атомах (стр. 2 из 3)

При данном значении тока электрического разряда все эти процессы возбуждения и релаксации приводят в конечном счете к установлению некоторого равновесного распределения населенности по энергетическим уровням. Таким образом, можно видеть, что в газовых лазерах из-за большого числа протекающих в газах процессов механизм создания инверсии населенностей является более сложным по сравнению с твердотельными лазерами. Вообще говоря, инверсия населенностей между двумя данными уровнями возникает при выполнении одного (или обоих) следующих условий: 1) скорость возбуждения верхнего лазерного уровня больше, чем нижнего, и 2) скорость релаксации верхнего лазерного уровня меньше, чем нижнего. Напомним, что последнее условие необходимо для реализации непрерывной генерации. Если это условие не выполняется, то генерацию тем не менее можно получить, но лишь в импульсном режиме и при выполнении первого условия (лазеры на самоограниченных переходах).

Лазеры на нейтральных атомах

В этих лазерах используются нейтральные атомы в виде газа или пара. Лазеры на нейтральных атомах составляют широкий класс, который включает в себя, в частности, лазеры, использующие почти все инертные газы (Не, Ne, Кr, Аr, Хе). Все лазеры на нейтральных атомах инертных газов генерируют в ИК-диапазоне (1 —10 мкм), за замечательным исключением Не—Ne-лазера, излучающего в зеленой и красной областях. Большой класс лазеров составляют также лазеры на парах металлов, таких, как РЬ, Си, Аu, Са, Sr и Мn. Эти лазеры, как правило, работают в видимой области. Наибольшее значение среди них приобрел лазер на парах меди, генерирующий на зеленом (λ =510,5 нм) и желтом (λ = 578,2 нм) переходах. Все лазеры на парах металлов являются самоограниченными и поэтому работают в импульсном режиме.

Гелий-неоновые лазеры

Не—Ne-лазер, вне сомнения, имеет наибольшее значение среди лазеров на инертных газах. Генерация осуществляется на переходах атома неона, а гелий добавляется в газовую смесь для существенного повышения эффективности накачки. Лазер генерирует на многих длинах волн, из которых наиболее известна линия с λ =0,633 мкм (красная). Среди других линий — зеленая на длине волны λ = 543 нм и две линии в ИК-диапазоне с λ = 1,15 и 3,39 мкм. Гелий-неоновый лазер, генерирующий на переходах с λ = 1,15 мкм, был самым первым работающим газовым лазером, и на нем также была впервые продемонстрирована непрерывная лазерная генерация (Джаван с сотр., конец 1960 г. ).

На рис. 1 приведена упрощенная схема энергетических уровней Не и Ne. Уровни Не обозначены в соответствии с приближением связи Рассела — Сандерса, где первая цифра указывает также главное квантовое число данного уровня. Таким образом, состояние 1¹S отвечает случаю, когда оба электрона Не находятся в состоянии 1S с противоположно направленными спинами. Состояния 2³S и 2¹S отвечают ситуации, когда один из двух электронов заброшен в состояние 2s и его спин соответственно параллелен или антипараллелен спину другого электрона. Атомное число неона равно 10, и в основном состоянии его десять электронов образуют конфигурацию ls²2s²2p⁶. Показанные на рисунке возбужденные состояния соответствуют ситуациям, в которых один из 2р-электронов заброшен в возбужденное s-состояние (3s, 4s и 5s) или возбужденное р-состояние (Зр и 4р).

Из рисунка очевидно, что в Не уровни 2³S и 2¹S являются близкими к резонансу с 4s- и 5s-состояниями Ne. Поскольку уровни 2³S и 2¹S метастабильны (переходы S→S запрещены в электродипольном приближении; более того, переход 2³S→1¹S запрещен еще и с точки зрения изменения мультиплетности), Не в этих состояниях оказывается весьма эффективным средством

Рис. 1. Уровни энергии Не и Ne, участвующих в работе гелий-неонового лазера.

для накачки 4s и 5s-уровней Ne посредством резонансной передачи энергии. Было установлено, что в Не—Ne-лазере этот процесс является доминирующим для получения инверсии насе-ленностей, хотя накачка осуществляется также и за счет столкновений электронов с атомами Ne. Поскольку уровни 4s и 5s атома Ne могут быть значительно населены, они подходят на роль верхнего уровня лазерных переходов. Учитывая правила отбора, мы видим, что возможными переходами являются переходы в р- состояния. Вдобавок и время релаксации s-состояний (τ_s

100 нc) на порядок больше времени релаксации р- состояний (τ_р 10 нc). Таким образом, выполняется условие непрерывной генерации. Наконец, следует заметить, что вероятность возбуждения электронным ударом из основного состояния на уровни Зр и 4р вследствие меньших сечений взаимодействия значительно меньше, чем соответствующие вероятности возбуждения на уровни 4s и 5s.

Из сказанного выше следует, что генерацию в неоне можно ожидать между уровнями 5s и 4s, играющими роль верхних

Рис.2. Внутреннее устройство современного отпаянного гелий-неонового лазера (воспроизводится с любезного разрешения Мель Грио).

уровней, и Зр и 4р, являющимися нижними. На рис. 1 приведены некоторые наиболее важные лазерные переходы, образующиеся между этими уровнями. Конкретный переход, на котором будет осуществляться генерация, определяется длиной волны, при которой коэффициент отражения многослойного диэлектрического зеркала достигает максимума. Лазерные переходы уширены преимущественно благодаря эффекту Доплера. Например, на длине волны λ = 632,8 нм в соответствии с выражением доплеровское уширение приводит к ширине линии порядка 1,4 ГГц. Из выражения для сравнения можно оценить величину естественного уширения, что даст

МГц, причем , a τ_s и τ_р— времена жизни соответственно s- и р- состояний. Столкновительное уширение еще меньше естественного [например, для чистого неона МГц при давлении р = 0,5 мм рт. ст.;].

На рис 2. показана основная конструкция Не—Ne-лазера. Разряд происходит между кольцеобразным анодом и большим катодом, имеющим форму трубки и поэтому выдерживающим столкновения с положительными ионами. На большей части длины трубки разряд заключен в капилляр. Большой объем газа, окружающий капилляр, работает в качестве резервуара для пополнения смеси Не—Ne в капилляре. Если требуется поляризованное излучение, то внутрь трубки также вставляется пластинка под углом Брюстера. Зеркала лазера непосредственно впаяны в концы трубки. Чаще всего используется близкая к полусферической конфигурация, поскольку она легко юстируется, очень устойчива к несоосности и сразу дает генерацию в моде ТЕМоо. Единственный недостаток этой конфигурации состоит в том, что она не полностью использует объем плазмы разряда, поскольку размер пятна моды на плоском зеркале значительно меньше, чем на вогнутом. Однако если на рис. 2 плоское зеркало установить слева, то область с меньшим размером пятна почти полусферической ТЕМоо-моды окажется за пределами капилляра, т. е. в области низкой инверсии.

Одна из наиболее характерных черт Не—Ne-лазера состоит в том, что выходная мощность не увеличивается монотонно с током разряда, а достигает максимума и затем уменьшается. Поэтому промышленные Не—Ne-лазеры снабжаются источником питания, рассчитанным только на оптимальный ток. Наличие оптимального тока плотностью J (по крайней мере для переходов 0,633 и 3,39 мкм) связано с тем, что при высоких плотностях тока дезактивация метастабильных состояний (2¹S и 2³S) атома Не происходит не только посредством диффузии к стенкам, но и при сверхупругих столкновениях типа

(1)

Поскольку вероятность этого процесса пропорциональна плотности электронов N_e, а следовательно, и J, полную скорость дезактивации можно записать в виде k₂ + k₃J. В этом выражении k₂ — постоянное число, характеризующее дезактивацию вследствие столкновений со стенками, a k₃J (где k₃ — тоже постоянное число) представляет собой вероятность процессов сверхупругих столкновений (1). Поскольку скорость возбуждения можно записать как k₁J, где k₁ снова постоянная, населенность N* уровня 2 ¹S, установившаяся в результате равновесия между возбуждением и дезактивацией, дается выражением

(2)

где Nt — населенность основного состояния атомов Не. Из этого соотношения следует, что населенность уровня 2^lS атомов Не, а следовательно, и уровня 3s атомов Ne, будет выходить на насыщение при высоких плотностях тока (рис. 3). Однако экспериментально было обнаружено, что населенность нижнего лазерного уровня (Зр или 4р) продолжает расти с увеличением J (вследствие непосредственной накачки атомов Ne из основного состояния и каскадных излучательных переходов с верхних лазерных уровней; см. рис. 3). Таким образом, по мере увеличения плотности тока разряда разность населенностей растет до некоторого максимального значения, а затем уменьшается. Следовательно, усиление лазера, а с ним и выходная мощность будут иметь максимальное значение при некоторой конкретной плотности тока.